I sistemi di energia elettrica nelle reti di distribuzione sono classificati in sistemi monofase e trifase. I sistemi monofase e trifase svolgono un ruolo cruciale nel fornire elettricità dalle centrali di generazione agli utenti finali, siano essi residenziali, commerciali o industriali.
I sistemi monofase e trifase differiscono significativamente sotto diversi aspetti come quelli realizzativi e di utilizzo ma entrambi hanno in comune di essere utilizzati per l’erogazione dell’energia elettrica. I sistemi monofase, comunemente presenti negli ambienti residenziali, forniscono energia a quelle utenze che richiedono livelli di potenza contenuti. Al contrario, i sistemi trifase sono parte integrante dell’industria pesante e leggera in quanto permettono la distribuzione efficiente di elevati livelli di potenza, tipicamente richieste da questo tipo di utenze.
Questo articolo mette in luce la differenza tra monofase e trifase, esaminandone le configurazioni elettriche, i meccanismi di erogazione dell’energia, l’efficienza e i casi d’uso tipici.
Cosa si intende per monofase?
Un sistema elettrico monofase è un tipo di sistema di alimentazione a corrente alternata basato su una forma d’onda che varia nel tempo in maniera sinusoidale.
Ecco alcuni aspetti chiave e usi dei sistemi monofase:
- Definizione. Il sistema monofase è un sistema di distribuzione dell’energia elettrica in corrente alternata a singola fase ovvero dotato di un unico conduttore attivo.
- Fasi: Il sistema monofase è costituito da una singola fase e due conduttori: il conduttore di fase ed il conduttore di neutro. Quando il sistema monofase è alimentato, il conduttore di fase è attraversato da una tensione e quindi una corrente alternata che può essere rappresentata da una forma d’onda sinusoidale. L’intensità della corrente dipende dalla potenza richiesta dal carico.
- Tensione. Il conduttore di fase del sistema monofase è attraversato da una tensione di ampiezza pari a circa 230 V e frequenza costante di 50 Hz e trasmette la corrente al carico ad esso collegato. Il conduttore di neutro è a potenziale nullo ed ha la funzione di chiudere il circuito che alimenta il carico facendo passare la corrente di ritorno.
- Applicazione. Il sistema monofase è tipicamente utilizzato per distribuire alimentazione elettrica ad applicazioni residenziali, commerciali o dell’industria leggera, dove il carico totale è relativamente basso ovvero la potenza richiesta ha valori contenuti.
- Vantaggi: la progettazione e l’implementazione dei sistemi monofase sono piuttosto semplici poiché richiedono unicamente di collegare il conduttore di fase e quello di neutro. I sistemi di distribuzione elettrica monofase sono per questo facili da installare e manutenere e quindi convenienti per ambiti residenziali a bassa richiesta di potenza.
Cosa si intende per trifase?
Un sistema elettrico trifase è un tipo di sistema di alimentazione a corrente alternata ampiamente utilizzato per la generazione, la trasmissione e la distribuzione di energia elettrica.
E’ tipicamente destinato alla fornitura di energia in ambienti industriali e commerciali.
Ecco gli aspetti chiave e gli utilizzi dei sistemi trifase:
- Definizione. Il sistema trifase è un sistema di generazione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica alternata trifase ovvero dotata di tre conduttori attivi.
- Fasi. Il sistema trifase è costituito da tre fasi e può essere realizzato tramite almeno tre conduttori. Nel sistema trifase sono sempre presenti tre conduttori attivi, uno per ogni fase, ed eventualmente un conduttore di neutro. La presenza del conduttore di neutro dipende dal tipo di sistema trifase. Nel caso di sistema trifase simmetrico ed equilibrato, il neutro non viene utilizzato in quanto inutile poiché la corrente che vi circolerebbe sarebbe nulla.
- Tensione. Ogni conduttore di fase è attraversato da una tensione di 230 V. Tra le fasi è presente una tensione di 400 V pari a √3 volte la tensione tra fase e neutro (230 * 1,732 ≈ 400). Esistono diversi tipi di sistema trifase, il più diffuso è quello bilanciato. Nel sistema trifase bilanciato le fasi sono sincronizzate e sfasate tra loro di 120º. Questo sfasamento permette che in ogni istante sia possibile erogare potenza elettrica stabilmente.
- Applicazione. Il sistema trifase è tipicamente utilizzato nella generazione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica. Il sistema trifase è utilizzato in combinazione con generatori per la parte di generazione elettrica, trasformatori che elevano la tensione per la trasmissione sulle linee a grandi distanze ed infine trasformatori che abbassano la tensione e la riportano ai valori stabiliti per gli utilizzatori di 230 V tra fase-neutro, 400 V tra fase-fase.
- Vantaggi. i sistemi trifase forniscono un trasferimento di potenza costante al carico, sono adatti a realizzare un’efficiente distribuzione dell’energia su lunghe distanze. A partire da questi aspetti i sistemi trifase sono essenziali per le applicazioni industriali e commerciali grazie alla loro capacità di fornire grandi quantità di energia in modo efficiente e affidabile.
Qual è la differenza tra monofase e trifase?
La differenza principale tra monofase e trifase risiede nella configurazione, nell’erogazione di potenza, nell’efficienza e nelle applicazioni tipiche. Ecco un confronto dettagliato:
- Erogazione di potenza:
- Monofase: adatto per applicazioni a bassa potenza.
- Trifase: adatto per applicazioni di potenza più elevata e più efficiente su lunghe distanze.
- Installazione e costi:
- Monofase: più semplice ed economico da installare.
- Trifase: più complesso e costoso da installare ma offre vantaggi in termini di efficienza a lungo termine.
- Efficienza:
- Monofase: meno efficiente, soprattutto su lunghe distanze.
- Trifase: più efficiente, con erogazione di potenza più fluida ai macchinari pesanti.
- Utilizzo:
- Monofase: residenziale ed industria leggera.
- Trifase: Industriale ed industria leggera (es. officine).
- Conduttore di neutro:
- Monofase: il neutro nel sistema monofase è fondamentale perché serve a creare un percorso di ritorno per la corrente che arriva al carico attraverso il conduttore di fase. Il conduttore di neutro permette infatti di chiudere il circuito che trasmette potenza al carico.
- Trifase: il neutro serve a creare un percorso di ritorno per la corrente di squilibrio nel sistema trifase squilibrato. In questo caso il neutro del carico è posto allo stesso potenziale del neutro del trasformatore a monte, permettendo di ristabilire la simmetria tra le tensioni di linea. Qualora il sistema sia equilibrato, il conduttore di neutro non ha alcuna utilità.
In sintesi, l’energia elettrica monofase è ideale per uso residenziale e commerciale leggero grazie alla sua semplicità e ai costi inferiori. Al contrario, l’energia elettrica trifase è preferita per le applicazioni industriali e commerciali di grandi dimensioni dove l’efficienza, una maggiore capacità di potenza ed una erogazione più fluida sono cruciali.
Quando conviene il trifase?
In molteplici applicazioni è tipicamente utilizzato il sistema trifase. Di seguito i principali contesti in cui si predilige esclusivamente il sistema trifase:
- Trasmissione di potenza su linee elettriche. La trasmissione di potenza dalla sorgente, come da esempio una centrale idroelettrica, all’utilizzatore, richiede che la corrente percorra lunghe distanze. Proprio in virtù di queste distanze, diviene importante prendere in considerazione diversi fattori quali ad esempio il costo dei materiali per realizzare le linee elettriche. A parità di potenza richiesta dal carico, rispetto al sistema monofase, nel sistema trifase questa potenza è distribuita su tre cavi e questo permette di utilizzare dei cavi più sottili con minore dissipazione per effetto Joule e generalmente più facili da installare, gestire e manutenere. Il sistema monofase richiede 2 cavi (fase + neutro) mentre il sistema trifase richiede minimo 3 cavi (3 fasi + eventuale neutro). Nonostante necessiti un cavo in più è possibile dimostrare che un sistema trifase richiede circa un quarto di volume di rame in meno rispetto al sistema monofase per poter fornire ad un carico una determinata potenza. Questo permette indirettamente anche di ridurre i costi di manutenzione poiché cavi con sezioni inferiori richiedono collegamenti e componenti più semplici e garantiscono maggiore affidabilità.
- Erogazione fluida di potenza. Nel caso del sistema monofase, considerando che abbiamo una sola fase, abbiamo che la tensione attraversa lo zero 50 volte al secondo, considerando in Europa la frequenza dell’alimentazione di rete di 50 Hz. Questo può sembrare un aspetto trascurabile ed in effetti lo è finché l’energia richiesta dal carico è ridotta. In presenza invece di carichi elevati, questi buchi di tensione / corrente possono portare a bruschi e ripetuti arresti nel funzionamento del carico che si traduce in inefficienza, aumentato rumore / vibrazioni (ad esempio per organi meccanici mobili in continuo arresto e ripristino) e maggiore possibilità di guasto. Nei sistemi trifase le tre fasi sono sfasate tra loro quindi quando una fase attraversa lo zero, le altre saranno in un punto diverso della sinusoide ed il carico quindi sarà meno influenzato dall’attraversamento dello zero di una singola fase in quanto potrà assorbire sempre un livello di potenza costante. Maggiore è il carico ed il relativo assorbimento di potenza, maggiore questo aspetto è rilevante in termini di efficienza e di affidabilità del circuito nel suo complesso.
- Motori elettrici ad alta potenza. I motori ad alta potenza ovvero quelli che vedono movimentare carichi importanti come avviene solitamente nell’industria sono quasi esclusivamente alimentati da sistemi trifase. Questo avviene da una parte perché è necessario avere una erogazione della potenza fluida ma anche perché in questo caso si ha una semplificazione importante dal punto di vista progettuale. In un sistema trifase infatti, essendo le tre fasi sfasate tra loro di 120º, si crea un campo magnetico rotante che induce delle correnti nel rotore, si genera una coppia che quindi permette una rotazione costante in una specifica direzione. Al contrario, un motore alimentato da un sistema monofase, richiede che venga creato uno sfasamento nell’avvolgimento secondario per poter innescare il movimento rotativo. L’avvio di un motore monofase tipicamente si realizza con un condensatore oppure tramite un controllo di potenza elettronico a monte del motore monofase. Nel caso di motori elettrici ad alta potenza l’utilizzo di sistemi trifase semplifica notevolmente il progetto in quanto non occorre includere circuiti per l’avvio del motore.
Monofase Vs trifase in breve
La differenza tra monofase e trifase risiede negli aspetti realizzativi e nella destinazione d’uso dei singoli sistemi.
I sistemi monofase sono più semplici e sufficienti per applicazioni residenziali e commerciali leggere, mentre i sistemi trifase forniscono maggiore efficienza, stabilità ed erogazione di potenza, rendendoli essenziali per applicazioni industriali e commerciali di grandi dimensioni. La scelta tra monofase e trifase dipende dai requisiti di potenza, da considerazioni sull’efficienza e dalle esigenze applicative specifiche.